【48812】开关电源PFC及其作业原理(图文)

  功率因数补偿：在上世纪五十年代，现已针对具有理性负载的沟通用电用具的电压和电流不同相(图1)然后引起的供电功率低下提出了改进办法(因为理性负载的电流滞后所加电压，因为电压和电流的相位不同使供电线路的担负加剧导致供电线路功率下降，这就要求在理性用电用具上并联一个电容器用以调整其该用电用具的电压、电流相位特性，例如：其时要求所运用的40W日光灯有必要并联一个4.75F的电容器)。用电容器并连在理性负载，运用其电容上电流超前电压的特性用以补偿电感上电流滞后电压的特性来使总的特性接近于阻性，然后改进功率低下的办法叫功率因数补偿(沟通电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cos表明)。

  而在上世纪80年代起，用电用具很多的选用功率高的开关电源，因为开关电源都是在整流后用一个大容量的滤波电容，使该用电用具的负载特性出现容性，这就造成了沟通220V在对该用电用具供电时，因为滤波电容的充、放电效果，在其两头的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。依据整流二极管的单向导电性，只要在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也便是说，在AC线路电压的每个半周期内，仅仅在其峰值邻近，二极管才会导通。虽然AC输入电压仍大体坚持正弦波波形，但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图2所示。这种严峻失真的电流波形含有很多的谐波成份，引起线路功率因数严峻下降。

  在正半个周期内(1800)，整流二极管的导通角大大的小于1800乃至只要300-700，因为要确保负载功率的要求，在极窄的导通角期间会发生极大的导通电流，使供电电路中的供电电流呈脉冲状况，它不只降低了供电的功率，更为严峻的是它在供电线路容量不行，或电路负载较大时会发生严峻的沟通电压的波形畸变(图3)，并发生屡次谐波，然后，搅扰了其它用电用具的正常作业(这便是电磁搅扰-EMI和电磁兼容-EMC问题)。

  自从用电用具从曩昔的理性负载(前期的电视机、收音机等的电源均选用电源变压器的理性器材)变成带整流及滤波电容器的容性负载后，其功率要素补偿的意义不只是供电的电压和电流不同相位的问题，更为严峻的是要处理因供电电流呈强脉冲状况而引起的电磁搅扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。

  这便是在上世纪末发展起来的一项新技能(其布景源于开关电源的迅速发展和大范围的运用)。其最大的意图是处理因容性负载导致电流波形严峻畸变而发生的电磁搅扰(EMl)和电磁兼容(EMC)问题。所以现代的PFC技能彻底不同于曩昔的功率因数补偿技能，它是针对非正弦电流波形畸变而采纳的，迫使沟通线路电流追寻电压波形瞬时改变轨道，并使电流和电压坚持同相位，使体系呈纯电阻性技能(线路电流波形校对技能)，这便是PFC(功率因数校对)。

  于以上原因，要求用电功率大于85W以上(有的材料显现大于75W)的容性负载用电用具，有必要添加校对其负载特性的校对电路，使其负载特性接近于阻性(电压和电流波形同相且波形附近)。这便是现代的功率因数校对(PFC)电路。

  下面的图4是不必滤波电容的半波整流电路，图5是用了大容量滤波电容的半波整流电路。咱们依据这两个电路来剖析两电路中电流的波形。

  图4A中D是整流管，R是负载。图4B是该电路接入沟通电时电路中电压、电流波形图，

  在(00～1800)t0~t3时刻：t1时刻电压为零电流为零，在t1时刻电压到达最大值电流也到达最大值，在t3时刻电压为零电流为零。(二极管导通1800)

  在(1800～3600)t3~t4:时刻：二极管反偏无电压及电流。(二极管截止)

  在(3600～5400)t4～t6时刻：t4时刻电压为零电流为零，在t5时刻电压到达最大值电流也到达最大值，在t6时刻电压为零电流为零。(二极管导通1800)

  定论：在无滤波电容的整流电路中，供电电路的电压和电流同相，二极管导通角为1800，关于供电线路来说，该电路出现纯阻性的负载特性。

  图5A中D是整流管，R是负载，C是滤波电容。图5B是该电路接入沟通电时电路中电压、电流波形图。

  在(00～1800)t0～t3时刻：t1时刻电压为零电流为零，在t1时刻电压到达最大值电流也到达最大值，因为此刻对负载R供电的一起还要对电容C 进行充电，所以电流的起伏比较大。在t1时刻因为对电容C进行充电，电容上电压Uc到达输入沟通电的峰值，因为电容上电压不能骤变，使在t1~t3期间，二极管右边电压为Uc，而左面电压在t2时刻电压由峰值逐渐下降为零，t1~t3期间二极管反偏截止，此期间电流为零。(添加滤波电容C后第一个沟通电的正半周，二极管的导通角为900 )

  在(1800～3600)t3～t4时刻：二极管反偏无电压及电流。(二极管截止)

  在(3600～4100)t4～t5时刻：因为在t3~t4时刻二极管反偏，不对C充电，C上电压经过负载放电，电压逐渐下降(下降的起伏由C的容量及R的阻值巨细决议，假如C的容量足够大，并且R的阻值也足够大，其Uc下降很缓慢。)在t4~t5期间虽然二极管左面电压在逐渐上升，可是因为二极管右边的Uc放电缓慢右边的电压Uc依旧大于左面，二极管依旧反偏截止。

  在(4100～5400)t5～t7时刻：t5时刻二极管左面电压上升到超越右边电压二极管导通对负载供电并对C充电，其流过二极管的电流比较大，到了t6时刻二极管左面电压又逐渐下降，因为Uc又充电到最大值，二极管在t6~t7时刻又进入反偏截止。

  定论：在有滤波电容的整流电路中，供电电路的电压和电流波形彻底不同，电流波形;在极短的时刻内呈强脉冲状况，极管导通角小于1800(依据负载R和滤波电容C的时刻常数而决议)。该电路关于供电线路来说，因为在强电流脉冲的极短期间线路上会发生较大的压降(关于内阻较大的供电线路尤为明显)使供电线路的电压波形发生畸变，强脉冲的高次谐波对其它的用电用具发生较强的搅扰。

  咱们现在用的电视机因为选用了高效的开关电源，而开关电源内部电源输入部分，无一例外的选用了二极管全波整流及滤波电路，如图6A，其电压和电流波形如图6B

  为了遏止电流波形的畸变及进步功率因数，现代的功率较大(大于85W)具有开关电源(容性负载)的用电用具，一定要选用PFC办法，PFC有;有源PFC和无源PFC两种方法。

  不运用晶体管等有源器材组成的校对电路。一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器材组成，向现在国内的电视机生产厂对曩昔规划的功率较大的电视机，在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感(恰当选取电感量)，运用电感上电流不能骤变的特性来滑润电容充电强脉冲的动摇，改进供电线路电流波形的畸变，并且在电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性，使功率因数、电磁兼容和电磁搅扰得以改进，如图7。